10 kV 中壓配電網(wǎng)局部放電紫外檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白?卓

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，甘肅蘭州 730030）

隨著配電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，電力設(shè)備的電壓不斷升高，對設(shè)備絕緣性能提出了更高的要求。電力設(shè)備發(fā)生局部放電的主要原因有電極/絕緣表面缺陷、導(dǎo)體外絕緣破損/老化。在電場作用下，僅有局部絕緣被放電的情況，被破壞的部分會發(fā)生局部放電，在被氣體圍繞的導(dǎo)線周圍發(fā)生的局部放電稱為電暈。局部放電可以在導(dǎo)線的邊沿或絕緣層的內(nèi)部或表面上產(chǎn)生，在物體表面的局部放電，稱為表面的局部放電，而在物體內(nèi)部的局部放電稱為內(nèi)部的局部放電。如果不能及時(shí)地解決局部放電問題，將會造成絕緣最終破裂，嚴(yán)重時(shí)會對電力設(shè)備造成毀滅性傷害。為避免這種事故的發(fā)生，必須對電力設(shè)備的局部放電進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

皮昊書[1]等人提出了基于光纖傳感技術(shù)的局部放電監(jiān)測方法，使用相敏光時(shí)域反射儀可以及時(shí)判斷中間接頭的絕緣狀況，通過檢測干涉信號，能夠得到電纜中間接頭局部放電信號的相關(guān)信息，進(jìn)而判斷局部放電的位置與數(shù)值大小；關(guān)少平[2]等人提出了基于聯(lián)合檢測的局部放電方法，將脈沖電流法與特高頻聯(lián)合檢測方法相結(jié)合，能夠檢測局部放電位置。雖然使用上述這兩種方法能夠判定局部放電的嚴(yán)重程度，但是容易受到一次回路干擾影響，導(dǎo)致檢測結(jié)果不精準(zhǔn)。為此，設(shè)計(jì)了10 kV 中壓配電網(wǎng)局部放電紫外檢測（UV 檢測）系統(tǒng)，該系統(tǒng)在檢測過程中與一次回路完全隔離，避免干擾因素影響檢測結(jié)果。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以SIM32 開發(fā)板為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗、高便攜性、實(shí)時(shí)人機(jī)交互、可視化的紫外信號檢測系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

采用紫外傳感器和紫外光敏管對電力設(shè)備參數(shù)進(jìn)行采集[3]；GPS 定位模塊可以精確地確定線路的位置；通過LCD、報(bào)警系統(tǒng)，操作人員可以方便、準(zhǔn)確地了解電器的工作狀況[4]；使用高精度A/D 轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心，經(jīng)過運(yùn)算、分析后顯示檢測結(jié)果。

1.1 紫外光敏管

從光電發(fā)射角度出發(fā)，利用紫外光敏管將電壓加到光敏管正負(fù)電極上，從而在兩極之間形成一個(gè)電場[5]。在一定波長范圍內(nèi)，紫外光敏管接收特定波長的紫外線，并在一定能量下產(chǎn)生光輻射，從而迅速形成電子繁流放電。紫外光敏管結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 紫外光敏管結(jié)構(gòu)

紫外光敏管的工作原理為：在光電管的正負(fù)電極間施加一個(gè)電壓，就會產(chǎn)生一個(gè)電場[6]。因紫外光的能量大于其釋放功，因此會產(chǎn)生光輻射，導(dǎo)致光電子逸出[7]。紫外光敏管在紫外線照射下，其釋放的金屬光產(chǎn)生發(fā)光效應(yīng)，使其與周圍的氣體分子高速撞擊，使之電離為正離子和電子。離子化的電子會受到電場的加速作用，并將其他氣體分子以強(qiáng)大的能量帶入陽極[8]。同時(shí)，在電離狀態(tài)下，氣體分子所生成的正、負(fù)離子也會受電磁場作用而與光陰極發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生更多的電子。這種效應(yīng)會導(dǎo)致陽極和光電陰極間產(chǎn)生大量的電流，導(dǎo)致大量放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。利用在不同入射光強(qiáng)時(shí)所生成的脈沖頻率（脈沖間隔），可以從背景噪音中辨識出有用的信號[9-10]。若放電頻率較低，則應(yīng)予以消除；若脈沖數(shù)目超過某一特定數(shù)值，則為局部放電信號[11]。

1.2 紫外成像儀

紫外成像儀是一種用于監(jiān)控電源設(shè)備的局部放電的設(shè)備，它在局部電壓應(yīng)力超過臨界值時(shí)，會產(chǎn)生電暈、閃絡(luò)或電弧。特別是在高壓電器中，由于設(shè)計(jì)、制造、安裝和維護(hù)不當(dāng)，容易產(chǎn)生電暈、閃絡(luò)或電弧。在放電過程中，大氣中的電子不斷地吸收和釋放能量，并在放電時(shí)釋放出紫外光，這個(gè)過程會產(chǎn)生一小部分熱量，這些熱量通常無法被紅外探測到[12]，因此，使用紫外成像儀。

1.3 GPS定位模塊

GPS 定位模塊由北斗通信系統(tǒng)和北斗天線組成，用于接收北斗衛(wèi)星所發(fā)的北斗短消息，并將其解析為局部放電信號，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 GPS定位模塊結(jié)構(gòu)

北斗通信系統(tǒng)是把局放信號轉(zhuǎn)化成北斗短報(bào)文，而北斗天線則是把北斗短報(bào)文傳送到北斗衛(wèi)星[13]。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 紫外檢測流程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基于多線程的紫外檢測系統(tǒng)軟件，主線程的任務(wù)是響應(yīng)用戶接口[14]。數(shù)據(jù)采集線程用于采集紫外放電信號，數(shù)據(jù)采集完成后，將信息傳送給主線程以進(jìn)行圖像顯示，圖4 所示為紫外檢測的整個(gè)流程。

圖4 紫外檢測流程

系統(tǒng)中的自動主線程模塊將圖像數(shù)據(jù)自動存儲到內(nèi)存中，然后通過內(nèi)存直接讀取和寫入，提高了數(shù)據(jù)的收集速度[15]。程序打開紫外線探測設(shè)備的文件，啟動計(jì)時(shí)器。在定時(shí)器中，通過脈沖計(jì)讀取紫外脈沖的時(shí)間，并把所得到的測試結(jié)果和相關(guān)的測量信息發(fā)送給主線程進(jìn)行處理，從而達(dá)到紫外檢測的目的。

2.2 基于紫外線成像的局部放電定位

圖像融合主要針對局部放電故障進(jìn)行檢測，利用紫外影像中的亮點(diǎn)判斷放電區(qū)域，并將其定位到融合影像中。該過程中，最容易出現(xiàn)的是高斯噪聲，為了去除高斯噪聲，提出了一種利用濾波窗進(jìn)行圖像處理的方法。過濾窗的中點(diǎn)為中心，其權(quán)重最大，離中心越近，權(quán)重就越大[16]。將每個(gè)點(diǎn)的灰度與其權(quán)重相乘再相加，最終將經(jīng)處理的圖像點(diǎn)相加，以此作為濾波結(jié)果，計(jì)算過程如下。

假設(shè)紫外成像的圖像點(diǎn)坐標(biāo)為O(a,b)，以該點(diǎn)坐標(biāo)作為中心，按照n×n窗口進(jìn)行圖像點(diǎn)排序，由此計(jì)算任意點(diǎn)與中值的距離，公式為：

式中，Q(x1,x2)表示任意點(diǎn)坐標(biāo)；Q(x3,x4)表示中值點(diǎn)坐標(biāo)。

由于圖權(quán)值大小與距離呈負(fù)相關(guān)性，所以各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)分配的權(quán)值可表示為：

從上述公式中可以看出，中值點(diǎn)權(quán)值越大，式（2）計(jì)算結(jié)果就越小，從而可以抑制紫外成像中包含的高斯噪聲。

在抑制噪聲數(shù)據(jù)支持下，基于紫外線成像的局部放電定位過程如下。

步驟一：將紫外線影像轉(zhuǎn)化成0～255 的灰度值，并對其進(jìn)行二值化處理。

步驟二：在二值圖的邊緣檢測中，采用3×3 的高斯平滑模板。

使用Canny 邊緣檢測算子進(jìn)行邊緣檢測時(shí)，應(yīng)先計(jì)算算子水平方向Gx和垂直方向Gy的參數(shù)[17-18]，公式為：

通過上述公式計(jì)算梯度后會得到梯度幅度和角度值。在獲取上述全部數(shù)值后，遍歷圖像像素點(diǎn)，去除所有非邊緣點(diǎn)。如果這個(gè)點(diǎn)是梯度方向上的局部最大值，則應(yīng)保留該點(diǎn)，否則抑制該點(diǎn)。通過雙閾值定義邊緣，如果與強(qiáng)邊緣直接相連，那么該邊緣處理結(jié)果為邊緣；如果與強(qiáng)邊緣不能直接相連，那么該邊緣處理結(jié)果為弱邊緣，并將其抑制。

步驟三：通過邊緣檢測可以獲得各封閉區(qū)域的面積，從而判斷出各封閉區(qū)域的失效范圍。選擇的影像大小為300×180，斑點(diǎn)面積超過整個(gè)影像0.5%的區(qū)域?yàn)槭^(qū)，斑點(diǎn)面積大的部分為失效點(diǎn)，其余可以忽略。

步驟四：利用紫外影像獲取的邊緣點(diǎn)坐標(biāo)對融合影像中的斷層進(jìn)行定位，并對其位置及程度進(jìn)行明確判斷，由此完成配電網(wǎng)局部放電紫外檢測。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 缺陷環(huán)境及原因分析

2020 年9 月10 日，某供電公司配電室內(nèi)帶電測試小組在圖像探測中發(fā)現(xiàn)，10 kV 279 線##40 極A 相絕緣子放電。檢查人員在檢修中發(fā)現(xiàn)，在絕緣導(dǎo)線與絕緣體的接觸處，有一處絕緣層被破壞，從而確定了絕緣導(dǎo)線的絕緣破裂后，導(dǎo)體芯對環(huán)狀電極放電，并進(jìn)行了相應(yīng)的測試。除了絕緣子和避雷器的表面被污染，沒有發(fā)現(xiàn)任何其他的異常現(xiàn)象。

3.2 局部放電實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在上述現(xiàn)象下的局部放電時(shí)域波幅值如表1所示。

表1 局部放電時(shí)域波實(shí)際幅值

由表1 可知，在實(shí)際局部放電時(shí)域波幅值變化范圍內(nèi)，時(shí)域波幅值上下波動幅度較大，設(shè)0.18 dB為一個(gè)結(jié)點(diǎn)，將超過這個(gè)結(jié)點(diǎn)的值視為峰值點(diǎn)。在實(shí)際波動幅值中，超過0.18 dB 的峰值出現(xiàn)了兩次。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

局部放電會出現(xiàn)時(shí)域波，為了驗(yàn)證10 kV 中壓配電網(wǎng)局部放電紫外檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，將該系統(tǒng)與基于光纖傳感技術(shù)的局部放電監(jiān)測方法、基于聯(lián)合檢測的局部放電方法進(jìn)行對比，分析局部放電時(shí)域波幅度變化情況，如圖5 所示。

由圖5（a）可知，隨著頻率的增加，局部放電時(shí)域波幅值最大值為0.19 dB，且超過0.18 dB 的峰值只有一個(gè)；由圖5（b）可知，隨著頻率的增加，局部放電時(shí)域波幅值最大值為0.25 dB，且超過0.18 dB 的峰值出現(xiàn)了三次；由圖5（c）可知，隨著頻率的增加，局部放電時(shí)域波幅值最大值為0.25 dB，且超過0.18 dB 的峰值出現(xiàn)了兩次。

圖5 不同方法檢測時(shí)域波幅值

通過上述分析結(jié)果可知，只有使用紫外檢測技術(shù)檢測的局部放電時(shí)域波幅值與實(shí)際情況基本一致，說明使用該方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有精準(zhǔn)的檢測結(jié)果。

4 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)10 kV 中壓配電網(wǎng)局部放電紫外檢測系統(tǒng)獲得紫外放電圖像，使用濾波窗口去除高斯噪聲，再結(jié)合Canny 邊緣檢測方法可對經(jīng)過處理后的紫外圖像進(jìn)行局部放電定位。局部放電紫外檢測系統(tǒng)易于對高壓設(shè)備進(jìn)行無線組網(wǎng)檢測，可廣泛應(yīng)用于電力紫外裝置檢測。